混合動力電動汽車的電池管理架構(gòu)分析

用于電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)的電池技術(shù)已經(jīng)獲得了顯著進(jìn)步，不但電池能量密度已穩(wěn)步提高，而且電池還能可靠地充電和放電數(shù)千次。如果設(shè)計(jì)工程師能有效利用這些技術(shù)進(jìn)步，那么就成本、可靠性和壽命而言，電動汽車和混合動力電動汽車就有潛力與傳統(tǒng)汽車競爭。

一個電池規(guī)定的容量是指電池從100%充電狀態(tài)到零充電狀態(tài)所能提供的電量。充電到100%充電狀態(tài)或放電到零充電狀態(tài)會迅速縮短電池壽命，因此應(yīng)該仔細(xì)管理電池以避免完全充電或完全放電狀態(tài)。與工作在30%~70%的充電狀態(tài)之間(利用40%的容量)相比，工作在10%充電狀態(tài)到90%充電狀態(tài)之間(利用80%的規(guī)定容量)可以將電池的充電循環(huán)總次數(shù)減少到原來的1/3或更低。

在有效電池容量和電池壽命之間進(jìn)行平衡給電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)。考慮前文提到的利用40%容量與利用80%容量的情況。如果系統(tǒng)將電池為限制為僅使用其40%容量，以便使電池壽命延長到原來的3倍，那么電池尺寸必須增大1倍以獲得與利用80%容量情況下一樣多的可用容量。但這會使電池系統(tǒng)的重量和體積增大1倍，從而提高成本并降低效率。

汽車制造商一般要求電池壽命超過10年，且對必需的可用電池容量做了規(guī)定。電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是必須竭盡所能用最小的電池組實(shí)現(xiàn)最大的容量。為達(dá)到這個目標(biāo)，電池系統(tǒng)必須采用精密的電子電路仔細(xì)控制和監(jiān)視電池。

電動汽車電池組系統(tǒng)

電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有96個電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

圖1：并行獨(dú)立CAN模塊。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口(SPI)總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個選項(xiàng)是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

圖2：具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊。